CN103280462B - 一种高鲁棒性的p型对称横向双扩散场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，包括：P型衬底，在P型衬底上设有N型外延层，在N型外延层的内部设有P型漂移阱、P型缓冲阱和N型体接触区各两个，在P型缓冲阱内分别设有P型漏区和P型源区，在N型外延层的表面设有栅氧化层和场氧化层，在栅氧化层的表面设有多晶硅栅，在场氧化层、N型体接触区、P型源区、多晶硅栅和P型漏区的表面设有钝化层，其特征在于，在两个P型漂移阱上表面还各设有与低压P型阱共用一块光刻板，采用低能量离子注入形成的第一和第二浅P型阱，该区域有效地优化了表面电场分布，降低了最高晶格温度，提高了二次崩溃电流，增强了器件在ESD过程中的鲁棒性。

Description

一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管

技术领域

本发明主要涉及高压高功率半导体器件领域，具体来说，是一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，适用于等离子平板显示设备、半桥驱动电路以及汽车生产领域等驱动芯片。

背景技术

最近几年，横向双扩散金属氧化物场效应管（LDMOS）由于其较高的击穿电压(几百伏)、较短的开关时间（纳秒级）而广泛应用于打印机、电动机、平板显示器等高压领域的驱动芯片中。这其中还包含一些特殊的对称结构高压器件，源区和漏区分别形成于具有相同掺杂类型的阱区，并且源和漏是同时形成的，掺杂的杂质类型、掺杂能量、剂量均相同，因而源区和漏区可以相互交换使用，适用于某些需要双向开启的工作环境，同时进一步提升了器件的应用空间。但是由于功率器件常常工作在高电压、大电流的环境下，面临着非常严峻的可靠性问题，例如高温反偏（HTRB）带来的器件损伤以及静电泄放（ESD）过程中的安全问题。因此，探究其工作特性以及尽可能提高器件可靠性对于提升高压器件的工作稳定性具有十分重要的意义。

P型对称横向双扩散场效应管（ps-LDMOS）是一种特殊的横向双扩散器件，由于P型器件本身具备的弱HC效应，以及器件的双向导通能力，ps-LDMOS被越来越多地应用在不同驱动电路中。当驱动电路没有为ps-LDMOS设计独立的ESD保护子电路时，就只能通过ps-LDMOS本身来泄放ESD电流。若器件遇到一个漏极对源级的ESD正脉冲，正好可以利用ps-LDMOS器件中寄生的PN结，即通过漏极、漂移区、高压N阱区、N型体接触区这样一条路径泄放ESD电流。反之，遇到一个漏极对源级的ESD负脉冲，则要依赖于ps-LDMOS器件本身的静电放电能力，所以研究ps-LDMOS的ESD自保护能力是很有必要的。目前，国内外有许多器件结构上的改进方法，用来提高ESD防护能力。如通过优化栅极钳位、器件结构、几何图形以及栅极电压等因素来改善LDMOS的ESD能力。更进一层的，研究LDMOS内部的电热效应及物理机制，以及器件内部温度的变化规律，以全面优化其电热安全工作区。Jian-HsingLee等人研究出一种新型的ESD保护结构：在N型漏中嵌入一块P+区域，构建出一个可控硅整流器（SCR），使得DMOS在静电放电时化身为SCR器件，这个结构有效的将人体模式失效电压从1kV提高到6kV。类似的方法有很多，它们在提高ESD保护能力的条件下，也会有不足的地方，比如电流能力的下降、器件面积的显著增大以及工艺版次的复杂度提高等。

发明内容

本发明提供一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管。

本发明采用如下技术方案：一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，包括：P型衬底，在P型衬底上设有N型外延层，在N型外延层的内部设有第一P型漂移阱和第二P型漂移阱，在第一P型漂移阱的内部设有第一P型缓冲阱，在第二P型漂移阱的内部设有第二P型缓冲阱，在第一P型缓冲阱中设有P型源区，在第二P型缓冲阱中设有P型漏区，在N型外延层的内部还设有第一N型体接触区和第二N型体接触区，在N型外延层的表面设有栅氧化层、第一场氧化层与第四场氧化层，在第一P型漂移阱的表面设有第二场氧化层，在第二P型漂移阱的表面设有第三场氧化层，所述栅氧化层的一端始于第二场氧化层的一个边界，栅氧化层的另一端向第三场氧化层延伸并止于第三场氧化层的一个边界，所述第一场氧化层的一端始于第一N型体接触区，第一场氧化层的另一端向P型源区延伸并止于P型源区，所述第四场氧化层的一端始于P型漏区，第四场氧化层的另一端向第二N型体接触区延伸并止于第二N型体接触区，所述第二场氧化层始于栅氧化层的一端，第二场氧化层的另一端向P型源区延伸并止于P型源区，所述第三场氧化层始于栅氧化层的另一端，第三场氧化层的另一端向P型漏区延伸并止于P型漏区，在栅氧化层的表面设有多晶硅栅且多晶硅栅的两端分别延伸至第二场氧化层及第三场氧化层的上表面，在第一N型接触区、第一场氧化层、P型源区、第二场氧化层、多晶硅栅、第三场氧化层、P型漏区、第四场氧化层和第二N型接触区的表面设有钝化层，在第一N型体接触区表面连接有第一金属区，在P型源区表面连接有第二金属区，在P型漏区表面连接有第三金属区，在第二N型体接触区表面连接有第四金属区，其特征在于，在第一P型漂移阱的上表面还设有第一浅P型阱，所述第一浅P型阱的一端向第二P型漂移阱延伸并超过第一P型漂移阱的边界，第一浅P型阱的另一端向第一P型缓冲阱延伸并超过多晶硅栅临近P型源区的边界，在第二P型漂移阱的上表面还设有第二浅P型阱，所述第二浅P型阱的一端向第一P型漂移阱延伸并超过第二P型漂移阱的边界，第二浅P型阱的另一端向第二P型缓冲阱延伸并超过多晶硅栅的另一个边界。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明在保持电学能力基本保持不变且不增加任何工艺成本的前提下，可以显著改善工作过程中由于局部电场过大产生的静电放电能力不足的问题。

（1）、本发明器件在第一P型漂移阱15和第二P型漂移阱23的上表面分别设有第一浅P型阱20和第二浅P型阱21，其特征在于所述第一浅P型阱20和第二浅P型阱21与栅氧化层18在器件底部的投影分别交叠，交叠部分的范围各为0.8μm到1.2μm，所述第一浅P型阱20和第二浅P型阱21与多晶硅栅19在器件底部的投影交叠，并且各超过多晶硅栅19的末端0.5μm到1.5μm，此举很好的保护了器件在ESD应力下的两个薄弱点——多晶硅栅末端以及沟道区与漂移区交界处。如图3所示，P型横向双扩散器件场板末端处（x=26.8μm）的电场值由3.3E5V/cm减小为2.76E5V/cm，沟道区与漂移区交界处（x=23.9μm）的电场值由2.1E5V/cm减小为1.96E5V/cm，因而这两处产生的焦耳热减少，器件在ESD应力过程中最高晶格温度也随之下降，进而二次崩溃电流增大，图4显示一般结构器件的二次崩溃电流为1.417A，而本发明器件的二次崩溃电流为2.943A，可见器件的鲁棒性增强了。

（2）、本发明器件在第一P型漂移阱15和第二P型漂移阱23的上表面分别设有第一浅P型阱20和第二浅P型阱21，本文针对第二浅P型阱21四个不同位置进行了研究（由于是对称器件，第一浅P型阱20相应变化，仅以第二浅P型阱21为例），第二浅P型阱21的一端位于栅氧化层18下表面、N型外延层2中并与第二P型漂移阱23相距1μm处，第二浅P型阱21的另一端分别位于：位置一，沟道区末端、N型外延层2与第二P型漂移阱23的交界面处，位置二，多晶硅栅19与P型漏区12临近的边界的正下方，位置三，多晶硅栅19末端与P型漏区12之间的区域，位置四，第二P型漂移阱23与第二N型体接触区4临近的边界处，四种情况下器件的二次崩溃电流分别为2.1A、2.5A、2.947A和1.77A，可见，当第二浅P型阱21位于位置三时，器件的二次崩溃电流最大。

（3）、本发明器件在第一P型漂移阱15和第二P型漂移阱23的上表面各设有第一浅P型阱20和第二浅P型阱21，有效沟道长度变小，减小了等效串联电阻，有效地增强了器件正常工作时的电流能力，有利于器件工作期间功耗的减小，图6显示本发明器件结构器件的电流能力优于一般结构器件的电流能力。

（4）、本发明器件采用高压体硅工艺，该工艺里用来改善ESD失效问题的第一浅P型阱20和第二浅P型阱21与低压P型阱共用同一块光刻板，即在整套工艺中并没有额外增加光刻板，因而不会增加额外成本；同时，本发明器件的制作工艺可以与现有CMOS工艺兼容，易于制备。

（5）、本发明器件不仅能有效地改善ESD失效问题，还不会对器件的其他参数产生影响。例如，由于第一浅P型阱20和第二浅P型阱21尺寸很小，因而对器件的阈值电压影响很小，可以忽略不计，图5显示一般结构的阈值电压与本发明器件结构的阈值电压相差很小。

附图说明

图1所示为一般结构的P型对称横向双扩散场效应晶体管的器件剖面结构。

图2所示为本发明改进后的能提高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管的器件剖面结构。

图3是本发明器件与一般结构器件在ESD响应过程中的表面电场分布对比图，从图中可以明显看出，改进后的器件电场峰值比一般器件的小得多，且电场分布较平均。

图4是本发明器件与一般器件的ESD响应特性曲线对比图，从图中可以明显看出，改进后的器件具有较大的二次击穿电流，即提高了P型横向双扩散器件用作ESD保护元件时的鲁棒性。

图5是本发明器件阈值电压和一般器件阈值电压的比较图。可以看出两者的阈值电压差别很小，近似可忽略。

图6本发明器件和一般器件输出特性曲线的比较图。可以看出本发明器件的电流能力优于一般结构器件。

具体实施方式

下面结合附图2，对本发明做详细说明，一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，包括：P型衬底1，在P型衬底1上设有N型外延层2，在N型外延层2的内部设有第一P型漂移阱15和第二P型漂移阱23，在第一P型漂移阱15的内部设有第一P型缓冲阱14，在第二P型漂移阱23的内部设有第二P型缓冲阱22，在第一P型缓冲阱14中设有P型源区13，在第二P型缓冲阱22中设有P型漏区12，在N型外延层2的内部还设有第一N型体接触区3和第二N型体接触区4，在N型外延层2的表面设有栅氧化层18、第一场氧化层8与第四场氧化层11，在第一P型漂移阱15的表面设有第二场氧化层9，在第二P型漂移阱23的表面设有第三场氧化层10，所述栅氧化层18的一端始于第二场氧化层9的一个边界，栅氧化层18的另一端向第三场氧化层10延伸并止于第三场氧化层10的一个边界，所述第一场氧化层8的一端始于第一N型体接触区3，第一场氧化层8的另一端向P型源区13延伸并止于P型源区13，所述第四场氧化层11的一端始于P型漏区12，第四场氧化层11的另一端向第二N型体接触区4延伸并止于第二N型体接触区4，所述第二场氧化层9始于栅氧化层18的一端，第二场氧化层9的另一端向P型源区13延伸并止于P型源区13，所述第三场氧化层10始于栅氧化层18的一端，第三场氧化层10的另一端向P型漏区12延伸并止于P型漏区12，在栅氧化层18的表面设有多晶硅栅19且多晶硅栅19的两端延伸至第二场氧化层9及第三场氧化层10的上表面，在第一N型接触区3、第一场氧化层8、P型源区13、第二场氧化层9、多晶硅栅19、第三场氧化层10、P型漏区12、第四场氧化层11和第二N型接触区4的表面设有钝化层7，在第一N型体接触区3表面连接有第一金属区5，在P型源区13表面连接有第二金属区17，在P型漏区12表面连接有第三金属区16，在第二N型体接触区4表面连接有第四金属区6，在第一P型漂移阱15的上表面还设有第一浅P型阱20，所述第一浅P型阱20的一端向沟道区延伸并超过第一P型漂移阱15的边界，第一浅P型阱区20的另一端向第一P型缓冲阱14延伸并超过多晶硅栅19与P型源区13临近的边界，在第二P型漂移阱23的上表面还设有第二浅P型阱21，所述第二浅P型阱21的一端向沟道区延伸并超过第二P型漂移阱23的边界，第二浅P型阱21的另一端向第二P型缓冲阱22延伸并超过多晶硅栅19的另一个边界。

所述第一浅P型阱20和第二浅P型阱21的掺杂浓度一样，均是第一P型漂移阱15掺杂浓度的三分之一到四分之一，所述第一浅P型阱20和第二浅P型阱21的注入能量相同，均是第一P型漂移阱15注入能量的0.5倍到0.7倍，所述第一浅P型阱20和第二浅P型阱21经退火之后的深度均是第一P型漂移阱15深度的三分之一到四分之一。

所述第一P型漂移阱15的掺杂浓度为1.3E13cm^-2，注入能量为160Kev，第一浅P型阱20和第二浅P型阱21的掺杂浓度是4E12cm^-2，注入能量是100Kev，阱深各为0.6μm到1.0μm。所述第一浅P型阱20和第二浅P型阱21与栅氧化层18在器件底部的投影分别交叠，交叠部分的范围各为0.8μm到1.2μm，此时沟道长度为5μm到6μm，所述第一浅P型阱20和第二浅P型阱21与多晶硅栅19在器件底部的投影分别交叠，并且各超过多晶硅栅19的末端0.5μm到1.5μm。

本发明采用如下方法来制备：

首先是常规的体硅层制作，其中衬底1采用P型掺杂，外延层2采用N型掺杂。接下来是横向双扩散场效应晶体管的制作，包括在N型外延层2上通过注入硼离子形成第一P型漂移阱15和第二P型漂移阱23，注入硼离子形成第一P型缓冲阱14和第二P型缓冲阱22并退火推阱，紧接着在较低能量条件下注入硼离子形成第一浅P型阱20及第二浅P型阱21，第一P型漂移阱15的掺杂浓度为1.3E13cm^-2，注入能量为160Kev，第一浅P型阱20及第二浅P型阱21的掺杂浓度是4E12cm^-2，注入能量是100Kev，注入磷离子形成第一N型体接触区3、第二N型体接触区4；然后是湿法生长第一场氧化层8、第二场氧化层9、第三场氧化层10和第四场氧化层11，接下来是栅氧化层18的生长，之后淀积、刻蚀形成多晶硅栅19，再制作重掺杂的P型漏区12、P型源区13。淀积二氧化硅，刻蚀电极接触区后淀积金属，再刻蚀金属并引出电极，最后进行钝化处理。

Claims (4)

1.一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，包括：P型衬底(1)，在P型衬底(1)上设有N型外延层(2)，在N型外延层(2)的内部设有第一P型漂移阱(15)和第二P型漂移阱(23)，在第一P型漂移阱(15)的内部设有第一P型缓冲阱(14)，在第二P型漂移阱(23)的内部设有第二P型缓冲阱(22)，在第一P型缓冲阱(14)中设有P型源区(13)，在第二P型缓冲阱(22)中设有P型漏区(12)，在N型外延层(2)的内部还设有第一N型体接触区(3)和第二N型体接触区(4)，在N型外延层(2)的表面设有栅氧化层(18)、第一场氧化层(8)与第四场氧化层(11)，在第一P型漂移阱(15)的表面设有第二场氧化层(9)，在第二P型漂移阱(23)的表面设有第三场氧化层(10)，所述栅氧化层(18)始于第二场氧化层(9)的一个边界，栅氧化层(18)的另一端向第三场氧化层(10)延伸并止于第三场氧化层(10)的一个边界，所述第一场氧化层(8)的一端始于第一N型体接触区(3)，第一场氧化层(8)的另一端向P型源区(13)延伸并止于P型源区(13)，所述第四场氧化层(11)的一端始于P型漏区(12)，第四场氧化层(11)的另一端向第二N型体接触区(4)延伸并止于第二N型体接触区(4)，所述第二场氧化层(9)始于栅氧化层(18)的一端，第二场氧化层(9)的另一端向P型源区(13)延伸并止于P型源区(13)，所述第三场氧化层(10)始于栅氧化层(18)的一端，第三场氧化层(10)的另一端向P型漏区(12)延伸并止于P型漏区(12)，在栅氧化层(18)的表面设有多晶硅栅(19)且多晶硅栅(19)的两端分别延伸至第二场氧化层(9)及第三场氧化层(10)的上表面，在第一N型接触区(3)、第一场氧化层(8)、P型源区(13)、第二场氧化层(9)、多晶硅栅(19)、第三场氧化层(10)、P型漏区(12)、第四场氧化层(11)和第二N型接触区(4)的表面设有钝化层(7)，在第一N型体接触区(3)表面连接有第一金属区(5)，在P型源区(13)表面连接有第二金属区(17)，在P型漏区(12)表面连接有第三金属区(16)，在第二N型体接触区(4)表面连接有第四金属区(6)，其特征在于，在第一P型漂移阱(15)的上表面还设有第一浅P型阱(20)，所述第一浅P型阱(20)的一端向第二P型漂移阱(23)延伸并超过第一P型漂移阱(15)的边界，第一浅P型阱(20)的另一端向第一P型缓冲阱(14)延伸并超过多晶硅栅(19)临近P型源区(13)的边界，在第二P型漂移阱(23)的上表面还设有第二浅P型阱(21)，第一浅P型阱(20)的另一端位于多晶硅栅(19)的一个末端与P型源区(13)之间，所述第二浅P型阱(21)的一端向第一P型漂移阱(15)延伸并超过第二P型漂移阱(23)的边界，第二浅P型阱(21)的另一端向第二P型缓冲阱(22)延伸并超过多晶硅栅(19)的另一个边界，第二浅P型阱(21)的另一端位于多晶硅栅(19)的另一个末端与P型漏区(12)之间。

2.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，其特征在于，所述第一浅P型阱(20)和第二浅P型阱(21)的掺杂浓度一样，均是第一P型漂移阱(15)掺杂浓度的三分之一到四分之一，第一浅P型阱(20)和第二浅P型阱(21)的注入能量相同，均是第一P型漂移阱(15)注入能量的0.5倍到0.7倍，第一浅P型阱(20)和第二浅P型阱(21)经退火之后的深度均是第一P型漂移阱(15)深度的三分之一到四分之一。

3.根据权利要求2所述的一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，其特征在于，所述第一P型漂移阱(15)的掺杂浓度为1.3E13cm^-2，注入能量为160Kev，第一浅P型阱(20)和第二浅P型阱(21)的掺杂浓度是4E12cm^-2，注入能量是100Kev，第一浅P型阱(20)和第二浅P型阱(21)的阱深均为0.6μm到1.0μm。

4.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的P型对称横向双扩散场效应晶体管，其特征在于所述第一浅P型阱(20)和第二浅P型阱(21)与栅氧化层(18)在器件底部的投影分别交叠，交叠部分的范围各为0.8μm到1.2μm，所述第一浅P型阱(20)和第二浅P型阱(21)与多晶硅栅(19)在器件底部的投影交叠，并且各超过多晶硅栅(19)的末端0.5μm到1.5μm。